Co to są jądra superciężkie?

Transkrypt

1 Jądra superciężkie 1. Co to są jądra superciężkie? 2. Metody syntezy jąder superciężkich 3. Odkryte jądra superciężkie 4. Współczesne eksperymenty syntezy j.s. 5. Metody identyfikacji j.s. 6. Przewidywania teoretyczne

2 Co to są jądra superciężkie? Jądra superciężkie - najcięższe jądra o wydłużonym czasie życia, spowodowanym efektami struktury powłokowej 1. duża energia wiązania 2. kształt sferyczny (wokół Z=114, N=184) i zdeformowany (Z=108, N=184) 3. największa stabilność dla jąder o N i Z magicznych

3 264 jądra stabilne ok jąder znanych ok jąder przewidywanych Emisja p Mapa nuklidów Przemiana β + Z = 82 p n + e + + ν e 90Th i 92 U liczba protonów, Z Emisja 2p Z X Z-1 Y + p Z = 50 N = 82 Przemiana β - N = 126 Emisja α X Z N Y + Z-2 N-2 α -trwałe -rozszczepienie Z = 20 Z = 28 N = 50 n p + e - + ν e - α - β - - β + Z = 2 Z = 8 N = 2 N = 8 N = 20 N = 28 liczba neutronów, N -p

4 Mapa nuklidów

5 Metody syntezy jąder superciężkich Pierwiastki transuranowe (Z > 92) 1. Naświetlanie neutronami - próby od 1934 r Nieoczekiwane odkrycie rozszczepienia jąder (1938) n U Æ U + g w 1940 r w Berkeley t = 23 min U Æ Np + b + t = 2,3 dnia Np Æ Pu + b + Identyfikacja - badania radiochemiczne ν ν

6 Metody syntezy jąder superciężkich 2. Pierwiastki od Z = 95 do Z = 101 wytworzono w reakcjach wywołanych neutronami lub cząstkami a. 4 2 He Pu Æ Cm + 1n Chicago 1944 t = 150 dni Cm Æ a Pu n Pu Æ Pu + g n Pu Æ Pu Pu Æ Am + b + t = 500 lat Am Æa Np n Am Æ Am Am Æ Cm + b + ν ν

7 Metody syntezy jąder superciężkich 2a. Pierwiastki od Z = 95 do Z = 101- Ciekawostki Pierwiastki o Z = 99 i 100 zostały znalezione przypadkowo w pierwszej termojądrowej eksplozji na Pacyfiku w 1952 r t = 20 dni Es i t = 22 godz Fm Pierwiastek o Z = 101 został jako pierwszy zidentyfikowany jako 1 atom w 1955 r.

8 3. Reakcje syntezy jąder superciężkich z użyciem ciężkich jonów - Berkeley, Dubna, Darmstadt a) gorąca synteza, Z = , konkurencja rozszczepienia Berkeley - akcelerator HILAC od 1957 r 12 6 C Cm Æ No + 4n ( Cm t = 4700 lat) 12 6 C Cf Æ Rf + 4n 18 8 O Cf Æ Sg + 4n Dubna - akcelerator cyklotron U-300 od 1962 r Ne U Æ No + 6n Ne Pu Æ Rf + 5n Cr Pb Æ Sg + 3n Trudności z ustaleniem odkrycia - powołanie Transfermium Working Group w 1985 r.

9 3. Reakcje syntezy jąder superciężkich z użyciem ciężkich jonów - Berkeley, Dubna, Darmstadt b) zimna synteza, tarcza o zamkniętych powłokach Dubna - akcelerator cyklotron U-300 od 1962 r Ar Pb Æ Fm + 2n Darmstadt - akcelerator UNILAC, separator SHIP od 1981 r Cr Bi Æ Bh + 1n 6 atomów, t = 8.2 msec Fe Bi Æ Mt + 1n 1 atom, t = 3 msec, s =1pb Ni Pb Æ Ds + 1n 1 atom, t = 0.17 msec Zn Pb Æ n 1 atom, t = 0.24 msec Pierwiastki o Z = główna droga rozpadu to rozpad a, czasy życia t = 1 msec - 1 sec

10 Odkryte jądra superciężkie Z= Np Pu Am Cm Bk Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Z= Cf Es Fm Md No Kaliforn Einstein Ferm Mendelew Nobel /58 Z= Lr Rf Db Sg Bh Lorens Rutherford Dubn Seaborg Bohr /81

11 Odkryte jądra superciężkie Z= Hs Mt Ds Rg Has Meitner Darmstadt Roentgen Z=

12 Główne parametry procesu syntezy jąder superciężkich z użyciem ciężkich jonów 1. Prawdopodobieństwo utworzenia jądra złożonego a) wysokość bariery na fuzję, b) energia pocisku, c) energia wzbudzenia jądra złożonego

13 Główne parametry procesu syntezy jąder superciężkich z użyciem ciężkich jonów 2. Prawdopodobieństwo rozszczepienia a) stosunek B pow /B kul 3. Centralność zderzenia, moment pędu 4. Konkurencja emisji n i γ wobec rozszczepienia 5. Czasy życia jąder superciężkich

14 Przekrój czynny na reakcję syntezy jąder superciężkich (reakcje xn ER) Z

15 Przekrój czynny na reakcję syntezy jąder superciężkich (reakcje 1n ER)

16 Funkcje wzbudzenia na produkcję jąder superciężkich Eksperyment przygotowawczy 1. Ekstrapolacja przekrojów czynnych dla wcześniej odkrytych jąder 2. Optymalizacja warunków eksperymentu - wybór energii pocisku poprzez pomiar funkcji wzbudzenia dla znanych jąder o zbliżonym Z

17 Współczesne eksperymenty syntezy jąder superciężkich 1. Trudności eksperymentalne a) mały przekrój czynny na reakcję syntezy (rzędu 1 pb) b) krótki czas życia jąder c) konieczność identyfikacji nowych pierwiastków 2. Zimna synteza jądrowa a) badanie funkcji wzbudzenia 3. Zastosowanie separatora fragmentów 4. Układ detekcyjny

18 Synteza nowych pierwiastków o Z= 110 i 111 (GSI, Darmstadt,, listopad-grudzień 1994 r) 62 Ni Pb Æ n 64 Ni Pb Æ n 64 Ni Bi Æ n W ZIBJ w Dubnej : 34 S Pu Æ n

19 jonów/s tarcza ok warstw atomowych = 0.4 µm - chłodzenie Synteza nowych pierwiastków o Z= 110 i 111 (GSI, Darmstadt,, listopad-grudzień 1994 r) Układ eksperymentalny: od koła tarczowego, poprzez filtr prędkości SHIP, do układu detekcyjnego SHIP = Separator for Heavy Ion Products 62 Ni (311 MeV) Pb Æ n 4 przypadki

20

21

22 Synteza nowych pierwiastków o Z= 112 (GSI, Darmstadt,, 1996 r) * 1n Zn Pb Æ n a MeV 400 msec a MeV 170 msec a MeV 7.1 sec SF a 5 a MeV 32.7 sec 8.77 MeV 24.1 sec

23

24 Synteza nowych pierwiastków o Z = 114 (Dubna,, 1999 r.) 48 Ca Pu Æ n długie czasy życia - bliskość N= 184? a 1 3n 9.71 MeV 30.4 sec * a MeV 15.4 min 190 MeV 16.5 min SF a MeV 1.6 min

25 Synteza nowych pierwiastków o Z = 116 i 118 (Berkeley,, USA, 5 maja 1999 r) - odwołane! 86 Kr Pb Æ n

26 Trudności: jądro produkowane jest raz na zderzeń, przewidywany czas życia ok. 200ms Układ eksperymentalny: tarcza, separator fragmentów, detektor

27 Separator fragmentów BGS

28 Synteza nowych pierwiastków o Z = 116 (Dubna,, 2000 r.) 48 Ca Cm Æ n n * a MeV 46.9 msec a MeV 2.42 sec 197 MeV 6.9 sec SF a MeV 53.9 sec

29 Synteza nowych pierwiastków o Z = 113 i 115 (Dubna,, 2003 r.) * 3n Ca Am Æ 291-x xn a MeV 80.3 msec a MeV sec a MeV sec a MeV sec 205 MeV 28.7 godz SF a MeV sec

30 Podsumowanie metod syntezy jąder superciężkich z użyciem ciężkich jonów a) gorąca synteza pociski: 48 20Ca tarcze: Th, U, 242,244 94Pu, Am, 245,248 96Cm i Cf jądro złożone o energii wzbudzenia MeV, emisja 3-5n b) zimna synteza pociski: od 20 Ca do 38 Sr tarcza: Pb lub Bi jądro złożone o energii wzbudzenia MeV, emisja 1n c) gorąca synteza pociski: 22 10Ne lub 26 12Mg tarcze: Cm lub Bk jądro złożone: Sg, Bh, Hs - silnie neutrononadmiarowe, emisja 4-5n

31 Metody identyfikacji pierwiastków superciężkich (produkcja pojedynczych atomów) 1. Badanie radiochemiczne: rejestracja emisji α, β, produktów rozszczepienia 2. Chromatografia gazowa 3. Badanie łańcucha genetycznego 4. Badania chemiczne określające własności pierwiastka 5. Obliczenia energii poziomów elektronowych - poprawki relatywistyczne ( ~ Z 2 ) - przewidywania ważne dla planowania procesu separacji atomów Wnioski: E112 - własności nie podobne do Hg

32 Układ okresowy pierwiastków

33 Metody identyfikacji pierwiastków superciężkich (produkcja pojedynczych atomów) Jądra Hs wytworzone w tarczy (2) ulegają odrzutowi i wpadają w przestrzeń gazu (3), gdzie są przedmuchiwane He lub O 2 (4) do kolumny kwarcowej (5) i ogrzewane (6) do 600 st przez piecyk (7). Tutaj Hs zostaje zamieniony na lotny HsO 4 - i jest transportowany kapilarą (8) do Cryo On-Line Detectora rejestrujacego rozpad (α i rozszczepienie). COLD (9) składa się z 36 detektorów PIN. Termostat (10) utrzymuje temperaturę 20 st.

34 Wpływ efektów relatywistycznych na energie poziomów elektronowych i cechy pierwiastków XI - grupa: Cu, Ag, Au, Rg 1. zwiększona energia wiązania dla orbitali s 1/2 i p 1/2 2. rozszczepienie spin-orbita poziomów 3. orbitale d i f są przestrzennie poszerzone

35

36 Badania spektroskopowe jąder superciężkich 1. Izotopy od No do Sg są produkowane z przekrojem czynnym ok. 3 mb - 3 nb - pozwala to mierzyć promieniowanie g i elektrony konwersji wewnętrznej tzw. pomiary in beam 2. Pomiar emitowanych cząstek α i β oraz rozszczepienia

37

38

39

40 Obserwacje eksperymentalne związane z syntezą jąder superciężkich 1. Spadek czasu życia SHE ze wzrostem Z 2. Wzrost czasu życia izotopów SHE ze wzrostem liczby neutronów 3. Przekroje czynne rzędu1pbnareakcję syntezyprzyużyciu pocisku 48 Ca i gorącej syntezy, nawet do Z = 118

41 Przewidywania teoretyczne 1. Przewidywanie stabilności na rozszczepienie dzięki strukturze powłokowej W. Mayers i W. Świątecki a) zamknięta powłoka Z= 114, N =184 - jądra kuliste b) czasy życia - najdłuższy dla t = 10 9 lat, powinien istnieć w naturze - brak potwierdzenia 2. Zamknięte powłoki dla Z = 108 i N = jądra zdeformowane dla Z =114, 120, lub 126 i N = 184 lub jądra kuliste A.Sobiczewski, R. Smolańczuk, Instytut Problemów Jądrowych

42 Energia poprawki powłokowej dla jąder superciężkich (obliczenia teoretyczne P. Möller et al.)

43

44 Synteza jąder superciężkich przy użyciu wiązek radioaktywnych Możliwość przesunięcia granicy syntezy o 4-5n - może dojście do zamkniętej powłoki N = 184 dla lżejszych pierwiastków

45 Otwarte pytania 1. Jakie są granice terytorium jąder superciężkich? 2. Jak te jądra mogą wytrzymać ogromne odpychanie kulombowskie? 3. Czy możliwe są egzotyczne konfiguracje?

46

47

48 Literatura 1. P. Ambruster, S. Hofmann, A. Sobiczewski, Postępy Fizyki, t.46, str. 431 (1995) 2. A. Sobiczewski, Postępy Fizyki, t.47, str. 495 (1996) 3. A. Sobiczewski, Postępy Fizyki, t.50, str. 204 (1999) 4. A. Sobiczewski, Postępy Fizyki, t.55, str. 7 (2004)